یکی از پرکاربردترین قطعات الکترونیکی دیود است. دیودها انواع مختلفی دارند و در الکترونیک و صنعت برای مصارف گوناگونی استفاده میشوند. در این مقاله از فنولوژی، به این میپردازیم که دیود چیست و ساختار دیود و نحوهی ساخت آن را توضیح دهیم؛ همچنین برخی از پرکاربردترین انواع دیود را معرفی میکنیم.
دیود چیست
دیود (Diode) یک قطعهی الکترونیکی نیمههادی است که مانند یک کلید برای جریان عمل میکند و به جریان اجازه میدهد تا در یک جهت مشخص انتشار پیدا کند و همچنین به خوبی، جلوی جریان را برای انتشار در جهت مخالف میگیرد. جنس دیودها بسته به کاربرد آنها متفاوت است؛ اما غالبا از نیمههادیهایی مانند ژرمانیوم (Ge)، سیلیکون (Si) و سلنیوم (Se) ساخته میشوند.
دیود پیوند P-N | PN Junction
ساختار دیود بر اساس پیوند PN است. اما این پیوند چیست؟
هنگامی که یک نیمههادی نوع N به نیمههادی از نوع P متصل میشود، پیوند PN به وجود میآید که اساس دیودها نیز همین است. نیمههادی نوع N، حاصل تزریق عنصر آنتیموان در اتم سیلیکون است و اگر به اتم سیلیکون، عنصر بور تزریق کنیم، به نیمههادی نوع P خواهیم رسید. در حالت عادی، بارهای الکتریکی نیمههادیها خنثی هستند؛ اما اگر این دو نیمه هادی را به هم متصل کنیم، رفتار متفاوتی از خود نشان خواهند داد:
نمایی از پیوند PN در حین اعمال ولتاژ بایاس به دو سر دیود
الکترونهای آزاد در ناحیهی N، به طرف ناحیهی اتصال حرکت میکنند تا حفرههای موجود در ناحیه P را پر کنند. در نتیجه یونهای دارای بار منفی، در ناحیه P ظاهر میشوند. این جابجایی الکترونها سبب کاهش چگالی بار منفی در ناحیه N میشود. هر چه جابجایی الکترونها و حفرهها بیشتر شود، بار الکتریکی بیشتری در دو طرف پیوند جمع میشود. به این ترتیب، یک اختلاف ولتاژ بین دو طرف پیوند ایجاد میشود.
این اختلاف ولتاژ، با جابجایی حاملهای بار الکتریکی مخالفت میکند؛ اما سرانجام یک حالت تعادل در ناحیه پیوند ایجاد میشود که از نظر الکتریکی خنثی است. در این حالت، یک ناحیه به نام «سد پتانسیل» در فضای اطراف پیوند ایجاد میشود. هنگامی که سد پتانسیل ایجاد میشود، حفرهها در ناحیه P، اتمهای دهنده با بار مثبت را دفع میکنند و الکترونها در ناحیه N نیز، اتمهای پذیرنده با بار منفی را دفع خواهند کرد.
به این ترتیب، از جابجایی بیشتر حاملهای بار جلوگیری میشود. به دلیل وجود این اختلاف پتانسیل، حاملهای بار آزاد در محلی که سد پتانسیل وجود دارد، نمیمانند. اگر به دو طرف پیوند PN یک ولتاژ مثبت با بایاس مستقیم متصل شود، به الکترونهای آزاد و حفرهها انرژی وارد میشود. این ولتاژ خارجی باعث میشود که حاملهای بار بر سد پتانسیل غلبه کنند.
پایه های آند (Anode) و کاتد (Cathode)
همانطور که گفتیم، میتوان برای ساخت نیمههادی P، به سیلیکون عنصری مانند بور اضافه کنیم. با این کار، حفرههایی در این ناحیه تشکیل میشود و پلاریته مثبت (+) تشکیل میشود. به طریق مشابه، برای ساخت نیمههادی نوع N، به سیلیکون، آنتیموان اضافه میکنیم. با این کار الکترونها در ناحیه ظاهر میشوند و باعث ایجاد پلاریته منفی (-) در ناحیه میشوند.
نمای شماتیک از پایههای آند و کاتد در دیود
همانطور که در شکل بالا مشاهده میشود، بر روی دیودها یک خط تعبیه شده که نمایانگر سمت کاتد آنهاست. در دیودها، همواره جریان از آند به سمت کاتد انتشار مییابد. علاوه بر این، غالبا ناحیهی آند دارای طول بیشتری است.
بایاس مستقیم و بایاس معکوس در دیود
بنا بر جنس دیود، با اعمال ولتاژ به دو سر آن، به طوری که ولتاژ آند بیشتر از کاتد باشد، جریان در دیود عبور خواهد کرد. به این حالت «بایاس مستقیم | Forward Bias» میگویند. در این حالت، عرض ناحیهی تخلیه کاهش مییابد. برای دیودهای سیلیکونی، این ولتاژ در حدود ۰.۶ یا ۰.۷ ولت و برای دیودهای ژرمانیومی، این عدد در حدود ۰.۳ ولت است.
حال اگر ولتاژ کاتد بیشتر از ولتاژ آند شود، جریانی از دیود عبور نمیکند و اصطلاحا دیود خاموش میشود. به این حالت «بایاس معکوس | Reverse Bias» میگوییم. در حالت بایاس معکوس، جریان بسیار اندک و درجهت مخالف از دیود میگذرد. به این جریان، «جریان اشباع معکوس» گفته میشود و با نماد $I_{s}$ نمایش داده میشود. مقدار جریان اشباع معکوس دیود، چیزی در حدود $\small \left. 10^{-12} \right.$ آمپر است که البته این مقدار برای دیودهای مختلف، متفاوت خواهد بود.
نمایی از حرکت الکترونها در بایاس مستقیم
نمودار جریان بر حسب ولتاژ دیود که از رابطه نمایی زیر پیروی میکند
$ I_{D} = I_{s}\times \left ( e^{\frac{V_{BE}}{nV_{T}}}-1 \right ) $
در این رابطه، ثابت $nV_{T}$ برابر است با $\large\frac{KT}{q}$. که $K ,T$ و $q$ به ترتیب، دما، ثابت بولتزمن و بار الکتریکی هستند.
$K = 1.380 \times 10^{-23} J/K $
$\frac {KT}{q} = \frac {4.14 \times 10^{-21}}{1.602 \times 10^{-19}} = 25.8mV \approx 26mV$
انواع دیود
همانطور که گفتیم، دیودها بخاطر کاربرد گستردهشان، انواع متفاوتی دارند. در ادامه برخی از پرکاربردترین انواع دیود را به شما معرفی میکنیم.
دیود سیگنال کوچک | Small Signal Diode
این دیودها به علت کار کردن در ولتاژهای پایین، عرض ناحیه پیوند کوچکتری دارند و در مدارات با جریان کم و فرکانس بالا کاربرد دارند؛ مانند تلویزیون و رادیو.
دیود سیگنال بزرگ | Large Signal Diode
این دیودها عرض ناحیه پیوند بزرگتری دارند و جریان خازنی را نیز افزایش میدهند. اما به دلیل این که این دیودها نقطهی کار مدار را بر هم میزنند، مناسب مدارهایی با فرکانس بالا نیستند. این نوع دیود، میتواند جریان و ولتاژ بالا را کنترل کند؛ در نتیجه میتواند پیکهای ولتاژ بالا را تحمل کند.
دیود یکسوکننده | Rectifier Diode
این نوع دیود دارای ناحیه پیوند با عرض زیاد است و ظرفیت خازنی آن نیز بالاست. به همین علت، سرعت سوئیچینگ آن پایین است. این دیودها، متداولترین انواع دیود هستند و توانایی کنترل جریانهای بالا را نیز دارند. دیود یکسوکننده در مدارهای تبدیل جریان متناوب (َAC) به جریان مستقیم (DC) نیز به کار میرود.
شماتیک دیود یکسوکننده
دیود زنر | Zener Diode
دیود زنر اولین بار توسط کلارنس ملوین زنر (Clarence Melvin Zener) در سال ۱۹۳۴ میلادی ساخته شد. این دیود تحت اصل شکست زنری کار میکند. دیود زنر در بایاس مستقیم مانند دیود معمولی رفتار میکند. حتی در بایاس معکوس نیز مانند دیودهای معمولی، اجازهی عبور جریان اشباع معکوس را از خود میدهد؛ اما هنگامی که ولتاژ معکوس به «ولتاژ شکست | Breakdown Voltage» (یا ولتاژ زنر) برسد، جریان را مسدود میکند و عملا در حکم منبع ولتاژ عمل میکند.
دیود زنر برای محافظت مدار از پالسهای لحظهای ساخته شده است و عموما کاربرد محافظتی دارد. از دیود زنر به عنوان رگولاتور ولتاژ استفاده میشود.
شماتیک دیود زنر
نمودار جریان بر حسب ولتاژ دیود زنر
۱N4743 13V 1W Zener Diode
دیود نورافشان | LED
LED یا Light Emitting Diode یکی دیگر از دیودهای پرکاربرد است که نمونه آن را بسیار مشاهده کردهاید. این دیودها، انرژی الکتریکی را به انرژی نورانی تبدیل میکنند. تولید اولیه آنها به سال ۱۹۶۸ برمیگردد. در LED، اکترونها و حفرهها تحت فرآیند «الکترولومینسانس | Electroluminescence» با یکدیگر ترکیب میشوند تا انرژی را به شکل نور از خود ساطع کنند.
شماتیک LED
دیود شاتکی | Schottky Diode
تفاوت دیود شاتکی با دیودهای قبل، این است که این دیود پیوند PN ندارد؛ در عوض از اتصال نیمههادی نوع N و فلز تشکیل شده است. به همینخاطر در بایاس مستقیم، افت ولتاژ آن بسیار کاهش یافته و سرعت سوئیچینگ آن بالاست و قابلیت هدایت جریانهای بالایی نیز دارد. در این ساختار، نیمههادی نوع N، نقش آند و فلز نقش کاتد را دارد. فلز بکار رفته بیشتر از کروم (Cr)، پلاتین (Pt) و تنگستن (W) است.
شماتیک دیود شاتکی
Dual Schottky Diode, 3-Pin TO-247AD DSSK50-01A
دیود شاکلی | Shockley Diode
دیود شاکلی، اولین قطعهی نیمههادی است که چهار لایه دارد. به این نوع دیود، PNPN نیز گفته میشود. این قطعه معادل یک تریستور (Thyristor) است که ترمینال گیت ندارد و گیت آن قطع شده است. از آنجا که دیود شاکلی ورودی ندارد، تنها راه هدایت توسط دیود، بایاس مستقیم است. در صورت اعمال ولتاژی بیشتر از ولتاژ شکست آن، جریان جاری میشود. برای حالت خاموش آن نیز باید ولتاژی بسیار کمتر از ولتاژ شکست به آن بدهیم.
شماتیک دیود شاکلی
PNPN Junctions
نمودار جریان بر حسب ولتاژ دیود شاکلی
دیود بازسازی پلهای | Step Recovery Diode
دیود بازسازی پلهای، نوع خاصی از دیودهاست که بار را در پالس مثبت سیگنال ذخیره میکند و در پالس منفی سیگنال سینوسی استفاده میکند. زمان صعود (rise-time) آن برابر با زمان ضربه است. از این جهت، این دیود دارای پالسهای بازیابی سرعت است. کاربرد دیود بازسازی پلهای، در ضربکنندههای مرتبههای بالا میباشد. فرکانس قطع این دیود بسیار بالاست و در محدوده گیگاهرتز است. به این دیود، «دیود ضربهای ناگهانی | snap-off» و یا «دیود ذخیرهکننده بار» نیز گفته میشود.
به عنوان یک ضرب کننده، فرکانس قطع این دیود چیزی در حدود ۲۰۰ تا ۳۰۰ گیگاهرتز است و در محدوده عملیاتی، فرکانس آن حدود ۱۰ گیگاهرتز میباشد. برای ضرب کنندههای مراتب پایینتر، این دیود بسیار کارآمدتر است.
شماتیک دیود بازسازی پلهای
Step Recovery Diode
دیود تونلی | Tunnel Diode
دیود تونلی توسط لئو ایساکی (Leo Esaki)، در سال ۱۹۵۷ میلادی ابداع شد؛ از این جهت آن را «دیود ایساکی» نیز مینامند. سرعت سوئیچینگ این دیود بسیار بالا و در محدوده نانو ثانیه است. در دیود تونلی، به علت این که ناحیهی پیوندی عرض بسیار کمی دارد و همچنین غلظت مواد خنثیکننده در این ناحیه بالا است، به الکترون اجازه داده میشود تا به راحتی از سد پتانسیل عبور کند. به این پدیده، اثر تونل زنری گفته میشود و اساس کار دیود تونلی است.
به علت اثر تونل زنری، این دیود در محدوده فرکانس مایکروویو، عملکرد بسیار سریعی دارد. این دیود بیشتر در اسیلاتورها و تقویتکنندههای مایکروویو کاربرد دارد. دیود تونلی توانایی هدایت جریان در بایاس معکوس را نیز دارد.
شماتیک دیود تونلی
نمودار جریان بر حسب ولتاژ دیود تونلی
در نمودار VI دیود تونلی، ناحیهای وجود دارد که در آن با زیاد شدن ولتاژ، جریان کاهش مییابد. این ناحیه، «ناحیه مقاومت منفی» نامیده میشود.
Tunnel Diode
دیود خازنی | Varactor Diode
دیود خازنی مانند یک خازن متغیر عمل میکند. این دیودها به علت توانایی تغییر محدودهی خازنی در مدارهایی که ولتاژ ثابت دارند، بسیار معروف هستند. دیود خازنی میتواند ظرفیت خازنی را تا مقادیر بالا، تغییر دهد. این دیود در بایاس معکوس عمل میکنند و میتوان با تغییر ولتاژ بایاس معکوس، عرض ناحیه تخلیهی آن را تغییر داد. کاربرد دیود خازنی در اسیلاتور ولتاژ در تلفنهای همراه و فیلترهای ماهوارهای است.
شماتیک دیود خازنی
B910 Varactor Diode
دیود لیزری | Laser Diode
دیود لیزری دارای پیوند PIN است. الکترونها و حفرهها در ناحیه ذاتی (I) با یکدیگر ترکیب میشوند. این دیود در ارتباطات فیبر نوری، بارکدخوانها، اشارهگرهای لیزری، خواندن و ضبط CD / DVD / Blu-ray و چاپ لیزری استفاده میشود.
انواع دیود لیزری:
- Double Heterostructure Laser
- Quantum Well Lasers
- Quantum Cascade Lasers
- Distributed Bragg Reflector Lasers
شماتیک دیود لیزری
Laser Diode
ساختار دیود لیزری
دیود خنثی ساز ولتاژ گذرا | Transient Voltage Suppression Diode
در نیمههادیها در صورت بروز تغییرات ناگهانی در ولتاژ، حالت گذرا خواهیم داشت که به خروجی آسیب میزند. برای جلوگیری از این اتفاق از دیودهای خنثی ساز استفاده میشود. عملکرد دیود خنثی ساز ولتاژ گذرا، مانند عملکرد دیود زنر است. در زمان گذر ولتاژ، در این دیودها تغییراتی رخ میدهد. در حالت عادی، دیود دارای امپدانس زیاد است؛ ولی وقتی ولتاژ گذرا داشته باشیم، دیود وارد «ناحیه شکست بهمنی | Avalanche Breakdown Region» میشود و امپدانس آن بسیار کم میشود.
مدت زمان شکست بهمنی به چند پیکو ثانیه میرسد. در این مدت، دیود ولتاژ حالت گذرا را به یک ولتاژ ثابت حداقل، تبدیل میکند. کاربرد دیود خنثی ساز، در زمینههای ارتباط از راه دور، پزشکی، ریزپردازندهها و پردازش سیگنال است.
شماتیک دیود خنثیساز
p6ke39ca
دیود بهمنی | Avalanche Diode
دیود بهمنی، تحت «اصل شکست بهمنی» کار میکند. اصل شکست بهمنی، پدیدهای است که در آن با اعمال ولتاژ معکوس، ناحیه پیوند P-N، تحت عمل یونیزاسیون، جریان زیادی را در جهت معکوس، عبور میدهد. دیود بهمنی برای جلوگیری از خرابی دیود، در ولتاژهای معکوس خاص، طراحی شده است. این دیود، مانند دیود زنر عمل میکند، با این تفاوت که ولتاژ شکست آن بسیار بیشتر است.
شماتیک دیود بهمنی
نمودار جریان بر حسب ولتاژ دیود بهمنی
فتودیود | Photodiode
فتودیود بر خلاف LED، انرژی نورانی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند و به همین دلیل در ساخت سلولهای خورسیدی از آن استفاده میشود. هنگامی که نور (ذرات فوتون) به ناحیه پیوندی دیود برخورد میکند، یک جفت الکترون و حفره آزاد میشود که به صورت جریان الکتریکی از دیود عبور میکند.
شماتیک فوتودیود
S1223
